การจำแนกประเภทและการแนะนำระบบโฟโตโวลตาอิคพลังงานแสงอาทิตย์
การจำแนกประเภทและการแนะนำระบบโฟโตโวลตาอิคพลังงานแสงอาทิตย์
โดยทั่วไปเราแบ่งระบบโซลาร์เซลล์ออกเป็น 2 ประเภท คือ ระบบอิสระ ระบบเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า และระบบไฮบริด ระบบจ่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สามารถแบ่งได้อย่างละเอียดมากขึ้นตามลักษณะการใช้งาน ขนาดการใช้งาน และประเภทของโหลดของระบบโซลาร์เซลล์ ระบบโซลาร์เซลล์ยังสามารถแบ่งย่อยได้อีก 6 ประเภท ได้แก่ ระบบจ่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขนาดเล็ก (SmallDC); ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแบบง่าย (Simple DC); ระบบจ่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ (Large DC); ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรง (AC/DC); ระบบกริด (Utility GridConnect); ระบบจ่ายไฟฟ้าแบบไฮบริด (Hybrid); ระบบไฮบริดแบบเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า หลักการทำงานและลักษณะเฉพาะของแต่ละระบบมีรายละเอียดดังต่อไปนี้
1. ระบบจ่ายไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็ก (Small DC)
ลักษณะเด่นของระบบนี้คือมีเพียงโหลดไฟฟ้ากระแสตรงในระบบ และกำลังไฟฟ้าของโหลดค่อนข้างต่ำ โครงสร้างระบบโดยรวมเรียบง่ายและใช้งานง่าย วัตถุประสงค์หลักคือระบบไฟบ้านทั่วไป ผลิตภัณฑ์ไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับพลเรือน และอุปกรณ์ความบันเทิงที่เกี่ยวข้อง ยกตัวอย่างเช่น ในภาคตะวันตกของประเทศผม ระบบโฟโตวอลตาอิกประเภทนี้ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย โดยโหลดไฟฟ้าคือหลอดไฟกระแสตรง ซึ่งใช้เพื่อแก้ปัญหาแสงสว่างภายในบ้านในพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้า
2. ระบบ DC แบบง่าย (Simple DC)
ลักษณะเฉพาะของระบบนี้คือโหลดในระบบเป็นโหลด DC และไม่มีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับเวลาใช้งานของโหลด โหลดส่วนใหญ่ใช้งานในเวลากลางวัน ดังนั้นระบบจึงไม่ต้องใช้แบตเตอรี่และไม่จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุม โครงสร้างระบบเรียบง่ายและสามารถใช้งานได้โดยตรง โมดูลโซลาร์เซลล์จ่ายพลังงานให้กับโหลด ซึ่งช่วยประหยัดกระบวนการเก็บและปล่อยพลังงานในแบตเตอรี่ และการสูญเสียพลังงานในตัวควบคุม ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน มักใช้ในระบบปั๊มน้ำ PV อุปกรณ์ชั่วคราวบางชนิดในระหว่างวัน และสถานที่ท่องเที่ยวบางแห่ง ภาพด้านล่างแสดงระบบปั๊ม PV DC แบบง่าย ระบบนี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในประเทศกำลังพัฒนาที่ไม่มีน้ำประปาบริสุทธิ์สำหรับดื่ม และก่อให้เกิดประโยชน์ต่อสังคมที่ดี
3.ระบบจ่ายไฟโซล่าเซลล์ขนาดใหญ่ (DC ขนาดใหญ่)
หากเปรียบเทียบกับระบบโฟโตโวลตาอิกสองระบบข้างต้น ระบบโฟโตโวลตาอิกนี้ยังคงเหมาะสำหรับระบบจ่ายไฟกระแสตรง แต่ระบบโฟโตโวลตาอิกพลังงานแสงอาทิตย์ประเภทนี้มักจะมีกำลังไฟฟ้าโหลดสูง เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถจ่ายไฟให้กับโหลดได้อย่างเสถียรและเชื่อถือได้ ระบบจึงมีขนาดที่ใหญ่ขึ้น จำเป็นต้องมีชุดโมดูลโฟโตโวลตาอิกขนาดใหญ่ขึ้นและชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้น รูปแบบการใช้งานทั่วไป ได้แก่ การสื่อสาร การวัดระยะไกล แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์ตรวจสอบ แหล่งจ่ายไฟส่วนกลางในพื้นที่ชนบท ประภาคารบีคอน ไฟถนน เป็นต้น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในชนบทบางแห่งที่สร้างขึ้นในบางพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ทางตะวันตกของประเทศเราใช้รูปแบบนี้ สถานีฐานสื่อสารที่สร้างโดย China Mobile และ China Unicom ในพื้นที่ห่างไกลที่ไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าก็ใช้ระบบโฟโตโวลตาอิกประเภทนี้เป็นแหล่งจ่ายไฟเช่นกัน เช่น โครงการสถานีฐานสื่อสารที่ Wanjiazhai มณฑลซานซี
4.ระบบจ่ายไฟ AC และ DC (AC/DC)
ระบบโซลาร์เซลล์ประเภทนี้แตกต่างจากระบบโซลาร์เซลล์ทั้งสามระบบข้างต้นตรงที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลด DC และ AC ได้ในเวลาเดียวกัน ในแง่ของโครงสร้างระบบ มีอินเวอร์เตอร์มากกว่าระบบทั้งสามระบบข้างต้น ซึ่งใช้แปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อตอบสนองความต้องการโหลด AC โดยทั่วไปแล้ว ระบบประเภทนี้ใช้พลังงานจากโหลดค่อนข้างมาก ดังนั้นขนาดของระบบจึงค่อนข้างใหญ่เช่นกัน ระบบนี้ถูกนำไปใช้ในสถานีฐานสื่อสารบางแห่งที่มีโหลดทั้ง AC และ DC และโรงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์อื่นๆ ที่มีโหลด AC และ DC
5.ระบบเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า (Utility Grid Connect)
คุณสมบัติเด่นที่สุดของระบบโซลาร์เซลล์ประเภทนี้คือ กระแสตรงที่สร้างจากแผงโซลาร์เซลล์จะถูกแปลงเป็นกระแสสลับที่ตรงตามข้อกำหนดของระบบไฟฟ้าหลักผ่านอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับระบบกริด แล้วจึงเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบไฟฟ้าหลัก นอกจากนี้ ไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกป้อนกลับไปยังระบบไฟฟ้าหลัก ในวันที่ฝนตกหรือกลางคืน เมื่อแผงโซลาร์เซลล์ไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ หรือไฟฟ้าที่ผลิตได้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการใช้งานของโหลดได้ ระบบจะใช้พลังงานจากระบบไฟฟ้าหลัก เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าถูกป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้าหลักโดยตรง จึงไม่ต้องติดตั้งแบตเตอรี่ และไม่ต้องกักเก็บและปล่อยพลังงานจากแบตเตอรี่อีกต่อไป จึงสามารถนำพลังงานที่ผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์มาใช้ได้อย่างเต็มที่ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานและต้นทุนของระบบ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับระบบกริดโดยเฉพาะ เพื่อให้มั่นใจว่ากำลังไฟฟ้าขาออกเป็นไปตามข้อกำหนดของระบบไฟฟ้าหลัก ทั้งในด้านแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และตัวชี้วัดอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ยังคงทำให้มีการสูญเสียพลังงานอยู่บ้าง ระบบดังกล่าวโดยทั่วไปสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากระบบสาธารณูปโภคและแผงโซลาร์เซลล์แบบขนานกันเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับในพื้นที่ ช่วยลดอัตราการขาดแคลนไฟฟ้าของระบบทั้งหมด นอกจากนี้ ระบบโซลาร์เซลล์แบบเชื่อมต่อกริดยังสามารถช่วยลดค่าพีคในระบบส่งไฟฟ้าสาธารณะได้ อย่างไรก็ตาม ในฐานะระบบผลิตไฟฟ้าแบบกระจาย ระบบจ่ายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบเชื่อมต่อกริดจะส่งผลกระทบในทางลบต่อระบบส่งไฟฟ้าของระบบจ่ายไฟฟ้ารวมศูนย์แบบดั้งเดิม เช่น มลพิษฮาร์มอนิก ปรากฏการณ์เกาะ (Island Effect) เป็นต้น
6.ระบบจ่ายไฟแบบไฮบริด (Hybrid)
นอกจากการใช้แผงโซลาร์เซลล์แบบแยกส่วนในระบบโซลาร์เซลล์นี้แล้ว เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบน้ำมันยังใช้เป็นแหล่งพลังงานสำรองอีกด้วย วัตถุประสงค์ของการใช้ระบบจ่ายไฟฟ้าแบบไฮบริดคือการใช้ประโยชน์จากข้อดีของเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าที่หลากหลายอย่างครอบคลุมและหลีกเลี่ยงข้อเสียของแต่ละเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น ข้อดีของระบบโซลาร์เซลล์แบบแยกส่วนที่กล่าวมาข้างต้นคือการบำรุงรักษาน้อยกว่า แต่ข้อเสียคือผลผลิตพลังงานขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและไม่เสถียร เมื่อเปรียบเทียบกับระบบอิสระที่ใช้พลังงานเดี่ยว ระบบจ่ายไฟฟ้าแบบไฮบริดที่ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและแผงโซลาร์เซลล์สามารถให้พลังงานที่ไม่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศได้ ข้อดีของระบบนี้คือ:
- การใช้ระบบจ่ายไฟฟ้าแบบไฮบริดยังช่วยให้สามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานหมุนเวียนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากระบบแบบสแตนด์อโลนที่ใช้พลังงานหมุนเวียนมักได้รับการออกแบบมาสำหรับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด และเนื่องจากพลังงานหมุนเวียนมีความผันแปรและไม่เสถียร ระบบจึงต้องได้รับการออกแบบสำหรับช่วงเวลาที่ผลิตพลังงานน้อยที่สุด ในบางกรณี ระบบอาจมีขนาดใหญ่เกินไปเนื่องจากระบบได้รับการออกแบบมาสำหรับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด พลังงานส่วนเกินที่ผลิตได้ในช่วงที่มีรังสีดวงอาทิตย์สูงสุดจะไม่ถูกนำไปใช้และถูกทิ้งไปโดยเปล่าประโยชน์ ประสิทธิภาพของระบบแบบสแตนด์อโลนทั้งหมดจึงลดลง หากสภาวะของเดือนที่เลวร้ายที่สุดแตกต่างจากเดือนอื่นๆ อย่างมาก อาจทำให้สูญเสียพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าความต้องการใช้งานที่ออกแบบไว้
- ความพร้อมใช้งานของระบบสูง ในระบบอิสระ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงและความไม่เสถียรของพลังงานหมุนเวียน แหล่งจ่ายไฟของระบบไม่สามารถตอบสนองความต้องการโหลดได้ กล่าวคือ เกิดภาวะขาดแคลนพลังงาน การใช้ระบบไฮบริดจะช่วยลดอัตราการขาดแคลนพลังงานของโหลดได้อย่างมาก
- บำรุงรักษาน้อยกว่าและใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าระบบเครื่องปั่นไฟดีเซลเพียงอย่างเดียว
- ประหยัดน้ำมันสูง ในกรณีที่โหลดต่ำ อัตราการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซลจะต่ำมาก ซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง ในระบบไฮบริด สามารถควบคุมได้อย่างครอบคลุมเพื่อให้เครื่องยนต์ดีเซลทำงานใกล้เคียงกับกำลังเครื่องยนต์ที่กำหนด ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการประหยัดน้ำมัน
- ความยืดหยุ่นที่ดีขึ้นในการจับคู่โหลด หลังจากใช้ระบบไฮบริด เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลสามารถให้พลังงานได้มากขึ้นทันที
ดังนั้น ระบบไฮบริดจึงสามารถนำไปใช้กับระบบโหลดที่หลากหลายยิ่งขึ้น เช่น โหลดไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ โหลดแรงกระแทก ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถปรับให้เหมาะสมกับโหลดและการผลิตไฟฟ้าของระบบได้ดียิ่งขึ้น เพียงเปิดแหล่งจ่ายไฟสำรองในช่วงเวลาที่มีโหลดสูงสุด บางครั้งขนาดของโหลดก็เป็นตัวกำหนดความจำเป็นในการใช้ระบบไฮบริด โหลดขนาดใหญ่ต้องการกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูง หากใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว ค่าใช้จ่ายจะสูงมาก
ระบบไฮบริดก็มีข้อเสียของตัวเองเช่นกัน:
- การควบคุมมีความซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากมีการใช้แหล่งพลังงานที่หลากหลาย ระบบจึงจำเป็นต้องตรวจสอบสภาพการทำงานของแหล่งพลังงานแต่ละแหล่ง จัดการปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบพลังงานย่อยต่างๆ และประสานงานการทำงานของระบบทั้งหมด ซึ่งทำให้ระบบควบคุมมีความซับซ้อนมากกว่าระบบอิสระ ชิปประมวลผลทำหน้าที่จัดการระบบ
- โครงการเริ่มต้นมีขนาดค่อนข้างใหญ่ การออกแบบ การติดตั้ง และการก่อสร้างระบบไฮบริดมีขนาดใหญ่กว่าโครงการแบบแยกเดี่ยว
- ต้องการการบำรุงรักษามากกว่าระบบแบบสแตนด์อโลน การใช้เครื่องยนต์ดีเซลจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาจำนวนมาก เช่น การเปลี่ยนไส้กรองน้ำมันเครื่อง ไส้กรองน้ำมันเชื้อเพลิง หัวเทียน ฯลฯ และการเติมน้ำมันเชื้อเพลิงลงในถังน้ำมันเชื้อเพลิง
- มลพิษและเสียง ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เป็นการใช้พลังงานสะอาดที่ปราศจากเสียงรบกวนและการปล่อยมลพิษ แต่เนื่องจากระบบไฮบริดใช้เครื่องยนต์ดีเซล จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเกิดปัญหาเสียงรบกวนและมลพิษ
แหล่งจ่ายไฟสำหรับการสื่อสารและอุปกรณ์นำทางการบินพลเรือนจำนวนมากในพื้นที่ห่างไกลที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ระบบไฮบริดในการจ่ายไฟ เนื่องจากความต้องการแหล่งจ่ายไฟสูง เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพด้านต้นทุนที่ดีที่สุด โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในชนบทหลายแห่งที่สร้างขึ้นในซินเจียงและยูนนานในประเทศของฉันใช้ระบบไฮบริดแบบใช้ไฟและฟืน
7.ระบบจ่ายไฟฟ้าไฮบริดที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (Hybrid)
ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์พลังงานแสงอาทิตย์ จึงเกิดระบบจ่ายไฟไฮบริดที่เชื่อมต่อกับกริด ซึ่งสามารถใช้แผงโซลาร์เซลล์ แหล่งจ่ายไฟหลัก และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองน้ำมันได้อย่างครอบคลุม ระบบประเภทนี้มักผสานรวมเข้ากับตัวควบคุมและอินเวอร์เตอร์ โดยใช้ชิปคอมพิวเตอร์เพื่อควบคุมการทำงานของระบบทั้งหมด ใช้แหล่งพลังงานที่หลากหลายอย่างครอบคลุมเพื่อให้ได้สภาพการทำงานที่ดีที่สุด และใช้แบตเตอรี่เพื่อปรับปรุงอัตราการรับประกันการจ่ายไฟของระบบ เช่น ระบบอินเวอร์เตอร์ SMD ของ AES ระบบนี้สามารถจ่ายไฟที่มีคุณภาพสำหรับโหลดในพื้นที่ และสามารถทำงานเป็น UPS ออนไลน์ (ระบบจ่ายไฟสำรอง) ได้ นอกจากนี้ยังสามารถจ่ายไฟเข้าหรือรับไฟฟ้าจากกริดได้อีกด้วย ระบบมักจะทำงานควบคู่กันกับไฟหลักและพลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับโหลดในพื้นที่ หากพลังงานที่ผลิตโดยโมดูลโซลาร์เซลล์เพียงพอต่อโหลด ระบบจะใช้พลังงานที่ผลิตโดยโมดูลโซลาร์เซลล์โดยตรงเพื่อจ่ายไฟให้กับโหลด หากไฟฟ้าที่ผลิตโดยโมดูลโซลาร์เซลล์เกินความต้องการของโหลดโดยตรง ไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกส่งกลับไปยังกริด หากกระแสไฟฟ้าที่ผลิตโดยโมดูลโฟโตโวลตาอิกส์ไม่เพียงพอ ระบบสาธารณูปโภคจะทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อใช้พลังงานจากระบบไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟให้กับโหลดในพื้นที่ และเมื่อการใช้พลังงานของโหลดในพื้นที่ต่ำกว่า 60% ของความจุไฟหลักที่กำหนดของอินเวอร์เตอร์ SMD ระบบจะชาร์จแบตเตอรี่โดยอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่อยู่ในสถานะการชาร์จแบบลอยตัวเป็นเวลานาน หากไฟหลักขัดข้อง นั่นคือ ไฟหลักขัดข้อง หรือไฟหลัก หากคุณภาพของโหลดไม่ได้มาตรฐาน ระบบจะตัดการเชื่อมต่อไฟหลักโดยอัตโนมัติและสลับไปยังโหมดการทำงานอิสระ โดยแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์จะจ่ายกระแสไฟฟ้า AC ที่โหลดต้องการ เมื่อไฟหลักกลับสู่สภาวะปกติ นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าและความถี่กลับสู่สภาวะปกติ ระบบจะตัดการเชื่อมต่อแบตเตอรี่และทำงานในโหมดเชื่อมต่อกับกริด ซึ่งใช้พลังงานจากไฟหลัก ในระบบจ่ายไฟไฮบริดที่เชื่อมต่อกับกริดบางระบบ ฟังก์ชันการตรวจสอบ ควบคุม และรวบรวมข้อมูลของระบบยังสามารถรวมไว้ในชิปควบคุมได้อีกด้วย ส่วนประกอบหลักของระบบนี้คือตัวควบคุมและอินเวอร์เตอร์
